氧化物弥散强化技术：开启钨基高比重合金的新时代
发布时间：
2025-11-27
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作为世界上熔点最高的金属，钨及其合金一直以来都是国防军工、航空航天和核能产业的关键材料。随着这些高技术领域的迅速发展，对钨合金的强度、塑性和耐高温性能提出了越来越苛刻的要求。
作为世界上熔点最高的金属，钨及其合金一直以来都是国防军工、航空航天和核能产业的关键材料。随着这些高技术领域的迅速发展，对钨合金的强度、塑性和耐高温性能提出了越来越苛刻的要求。
然而，传统钨合金存在的低温脆性、再结晶脆化以及强度-塑性倒置关系，长期以来限制着其在高技术领域的更广泛应用。而氧化物弥散强化技术（ODS）的出现，犹如一把金钥匙，开启了钨合金性能的新纪元。
01 技术原理：纳米氧化物的神奇力量
氧化物弥散强化技术是一种先进的材料强化方法，其核心在于在合金基体内均匀分布纳米级的氧化物颗粒，从而显著提升材料的高温强度、抗蠕变和抗辐射性能。
与传统合金强化机制不同，ODS技术不是通过改变基体化学成分，而是利用物理方式阻碍位错运动，从而实现强化效果。在微观层面，当材料受外力或高温作用时，内部的位错线开始运动，导致塑性变形。ODS合金中的纳米氧化物颗粒就像钉扎点一样，有效阻碍位错运动，迫使位错线绕行或切割颗粒，需要施加更大的外力才能继续变形。
研究表明，纳米氧化物的尺寸、分布和数量密度直接决定了强化效果。理想的ODS合金中，氧化物颗粒平均直径仅约7.1nm，数密度6.24×1022 m⁻³，这样高密度的纳米颗粒能通过钉扎晶界和位错移动。在高温环境下，当传统强化机制（如固溶强化、析出强化）因原子扩散加快而失效时，稳定的纳米氧化物颗粒依然能保持其形态和分布，继续阻碍位错运动，使ODS合金在高温下仍能维持优异的力学性能。
02 技术前沿：创新ODS技术路径
溶解-沉淀机制：
中国科学技术大学研究团队开发了基于溶解-沉淀机制的新方法，通过高能球磨使Y2O3和Ti溶解在钨基体中，并在放电等离子烧结过程中析出纳米尺度Y2Ti2O7颗粒。该方法成功制备出双纳米结构钨合金，钨晶粒平均粒径为67nm，纳米氧化物在晶粒内部和晶界处的平均粒径分别为8.5nm和16.4nm，硬度高达1441HV，是传统ODS-W材料的2-3倍。
溶液燃烧合成法：
研究人员开发了一种快速、低成本的纳米结构方法——溶液燃烧合成（SCS），使用Keggin型结构多金属氧酸盐为原料，生成30nm涂层结构的W-La2O3复合粉末。由此制备的W-La2O3合金具有亚微米级W晶粒与纳米氧化物颗粒共存的最佳微观结构，弯曲强度和维氏硬度分别达581 MPa和703 Hv。
六硼化铕增强技术：
厦门钨业最新公布的专利介绍了一种引入六硼化铕（EuB₆）的钨基合金，其中六硼化铕质量分数为0.1wt%-4wt%。这种创新材料不仅提高了对中子辐照的屏蔽能力，同时通过六硼化铕颗粒弥散分布增强了钨基合金的力学性能。
03 性能突破：ODS钨合金的卓越表现
力学性能显著提升：
研究表明，添加0.5% Y2O3的92W-5.2Ni-2.3Fe合金在1460℃保温60min时，性能达到最佳状态——致密度为97.25%，硬度为390.5HV，抗弯强度为1125MPa。通过热轧变形进一步强化，在变形量为20%时，合金致密度提高至99.58%，硬度达446.88HV，抗弯强度大幅提升至1527MPa。
韧性与热稳定性同步改善：
轧制W-0.2wt%Zr-1.0wt%Y2O3合金板材表现出良好的拉伸性能：韧脆转变温度降低至150℃；在150℃时最大拉伸强度和延伸率分别为911 MPa和3.2%。W-0.5wt%ZrC合金的韧脆转变温度进一步降至100℃，室温抗弯强度达2.5 GPa，500℃时延伸率高达约41%。
04 多元强化策略：ODS与其他技术的协同
多组分合金设计：
湖南科研团队通过短时机械合金化结合放电等离子烧结技术，制备出W55Mo25Fe10Ni10多组分合金，该合金具有细晶结构（<3μm），压缩强度达2663 MPa的同时断裂应变达34.4%。研究揭示了BCC基体与FCC粘结相协同变形机制——BCC基体通过位错胞和缠结实现塑性变形，而FCC相则通过孪晶和9R结构（一种特殊层错排列）协调应变。
逐级沉淀强化：
中国科学院力学研究所戴兰宏团队开发了逐级沉淀强化新策略，设计出(W1.5Ni₂.₂₅Fe)₉₅Ta₅难熔高熵合金。通过在900℃和650℃分级时效，成功实现了纳米片层状δ相和纳米颗粒状γ"相差异性可控的双共格纳米沉淀相析出，使材料具有2.15GPa的超高室温强度和15%的拉伸塑性。
工艺创新与协同应用：
南昌大学研究表明，将机械合金化、真空烧结与轧制变形相结合，可实现对合金微观结构的精确调控。通过变形量为20%的热轧处理，合金致密度提高至99.58%，且钨晶粒在轧制过程中表现出各向异性特征，纵剖面和横剖面的维氏硬度分别为446.9HV和422.3HV。
05 应用前景：高端制造的新宠
氧化物弥散强化钨合金因其优异的性能，在众多高端制造领域展现出广阔的应用前景：
核聚变装置关键材料
钨基合金被认为是最有潜力的能够应用于聚变反应堆极端环境的面向等离子体第一壁材料。ODS-W复合材料能够满足聚变装置对材料抗辐照、抗热冲击等方面的苛刻要求，是未来核聚变反应堆不可或缺的关键材料之一。
国防军事与航空航天
钨基高比重合金在航天航空、兵器等行业中有着广泛应用。ODS技术可显著提高钨合金的高温力学性能（800℃）和高应变速率下的力学性能。在导弹、航天器导航系统等关键部件中，高性能钨合金正发挥着不可替代的作用。
民用工业领域
在模具制造、配重块、屏蔽材料等领域，氧化物弥散强化钨合金也展现出独特优势。例如，在95W-3.5Ni-1.5Fe合金中添加Y₂O₃，经1480℃烧结90分钟后，相对密度高达98.6%，且Y₂O₃在钨晶粒内呈弥散分布，表现出高硬度和较高韧性。
06 未来展望：挑战与机遇并存
尽管氧化物弥散强化钨合金研究取得了显著进展，但仍面临一些挑战：纳米氧化物颗粒的均匀分散、烧结过程的精确控制、大规模生产的成本问题等都是需要进一步研究和优化的方向。随着制备技术的不断成熟和新材料的开发，氧化物弥散强化钨合金有望在更多领域取代传统材料，为高端制造业提供更优质的材料解决方案。
从核聚变装置到航空航天，从国防军工到精密制造，氧化物弥散强化钨合金正以其卓越的性能，在高端制造领域大放异彩。这项技术的发展不仅提升了传统钨合金的性能，更开辟了新材料应用的新天地，为制造业的升级换代提供了强有力的材料支撑。
参考文献
1、王冉/中国科学技术大学 纳米碳/氧化物弥散强化钨基材料的制备及性能研究
https://d.wanfangdata.com.cn/thesis/Y3716917
2、陈鹏琦，徐先，魏邦正，陈佳宇，秦永强，程继贵 《核工程与技术》/采用创新燃烧方法设计的W-La203合金增强力学性能与界面结构表征
https://doi.org/10.1016/j.net.2020.11.002
3、曾学坤 /弥散强化高比重钨合金的制备及性能研究
https://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10403-1024487153.htm
4、谢卓明/中国科学技术大学/碳化物/氧化物弥散强化钨基合金的制备及性能研究
https://d.wanfangdata.com.cn/thesis/Y3227441
5、李统/ 逐级沉淀强化——设计超高强塑性钨高熵合金的一种新策略
https://www.imech.ac.cn/science/lxyd/qy/202504/t20250427_7617399.html
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